다관절 굴곡기구 - 국내 등록
다 빈치 로봇 시스템의 임상현장에의 확산과 더불어 경쟁관계로 등장할 다양한 수술로봇 시스템의 개발이 이루어지고 있는 것은 선택사항들이 늘어난다는 측면에서 고무적인 일일 것이다.
기술적 경쟁에서 제어 정밀성, 햅틱 피드백 여부, 영상 몰입감 등 다양한 요소들이 고려되지만 보다 효과적인 수술도구를 개발하는 것도 그 중 한 가지라 할 수 있다.
다 빈치 로봇 시스템에 사용하는 링크구조의 수술기구와 달리 타이탄 메디컬사의 이노스 (Enos)는 소위 연속체 메커니즘 (continuum mechanism)이라 불리는 굴곡가능한 수술기구를 채용하고 있다 (그림 1).
이러한 연속체 메커니즘은 수술기구로 적용되기 위해서는 수술작업이 가능하도록 요구되는 형상 구현을 위한 굴곡성능 뿐만 아니라 조직을 잡고 당길 수 있는 충분한 힘과 강성을 요구한다. 이를 위해 메커니즘의 기본 단위인 세그먼트를 어떠한 형태로 만들어서 어떤 방식의 조인트로 연결하느냐는 중요한 문제이다.
▲ 그림 1. 수술로봇 시스템의 수술기구들 (출처: 인튜이티브 서지컬 및 타이탄 메디컬 홈페이지)
본 발명은 유연한 굴곡형상을 생성하고 기구의 강성을 조정할 수 있는 연속체 메커니즘의 구조에 대한 고안에 대한 것이다.
굴곡형 수술기구의 기본 단위인 세그먼트는 그림 2와 같이 볼-소켓 조인트의 결합되어 연성 내시경 등에 사용되는 힌지 조인트에 비해 접촉면적이 넓어 기본적인 강성유지에 유리하도록 하였다. 이러한 디자인을 기반으로 하여 강성 조정을 위한 두 가지 방법을 제안한다.
▲그림 2. 기본 세그먼트 및 다관절 굴곡기구
첫번째 방법은 내부에 별도의 탄성체 와이어를 삽입하여 강성을 실시간적으로 제어할 수 있는 방법이다.
연속체 메커니즘은 여러 세그먼트를 두 개 이상의 와이어로 연결하고 이들을 당기고 푸는 작업을 통해 굴곡을 생성하는 것이 보통인데, 여기에 추가적인 와이어 구멍을 내어 그 사이로 Nitinol과 같은 초탄성체 튜브와 와이어 (그림 3)를 삽입하고 와이어가 그 튜브의 어디까지 위치하느냐에 따라 굴곡형 수술기구의 종단부가 가지는 강성에 변화를 주는 방식이다.
이를 통해 수술기구가 삽입될 때는 저강성 상태 (초탄성체 와이어가 튜브 후단부에 배치)로 하고 수술작업 중에 필요에 따라 고강성 상태 (초탄성체 와이어가 튜브 전단부까지 배치)로 변환될 수 있다.
▲그림 3. 강성조절을 위한 탄성체 와이어 삽입 구조
두번째 방법으로는 요구되는 강성 수준을 설계를 통해 반영하는 것이다.
그림4와 같이 세그먼트의 볼 조인트 부분을 노치처럼 잘라내는 설계를 하면 노치가 없는 경우 보다 접촉면적을 줄여 조인트간의 마찰을 줄이는 효과를 가져오고 (역학적으로 마찰력은 접촉면적과는 무관하지만 본 연속체 메커니즘은 와이어의 장력에 의해 압착력을 받기 때문에 면적의 영향을 받게 된다) 결국 이는 보다 낮은 강성으로 수술기구를 제작할 수 있다.
이는 볼-소켓 조인트 형식의 연속체 메커니즘이 가지는 일반적인 강성 수준이 높은 것을 수술작업에 요구되는 조금 낮은 강성수준으로 조정할 수 있는 용도로 활용될 수 있다.
▲그림 4. 강성을 고려한 세그먼트 설계
본 발명은 산업통상자원부 로봇산업핵심기술개발사업 “경구강 및 복강경 수술을 위한 형광 영상유도 내시경 기반 유연관절 단일통로 수술 로봇 기술 개발” (20000843) 및 “비뇨기과 질환의 진단 및 시술을 위한 9 mm 이내의 2 자유도 굴곡 가능한 내시경 로봇 시스템의 개발” (10080726)의 지원으로 진행되었다.
※ 문영진 연구부교수는 2015년부터 의공학연구소에 재직 중이며 수술, 중재시술, 재활 등의 영역에 로봇 및 기구 메커니즘 기술을 적용하는 연구에 매진하고 있다.
로봇산업핵심기술개발사업, 범부처 인공지능바이오로봇 의료융합기술개발사업 등 시제품 개발을 통해 임상적 실용성을 목표로하는 과제 뿐만 아니라 새로운 기구구조를 활용한 로봇형 수술기구에 대한 연구와 같이 원천기술 개발을 주제로 하는 과제 등 다수의 국책과제를 수행 중이다.